Che cos'è un'antenna a dipolo? Una guida completa

L'antenna a dipolo è uno dei tipi di antenna più fondamentali e ampiamente utilizzati nei sistemi di comunicazione. Rinomate per la loro semplicità ed efficienza, le antenne a dipolo svolgono un ruolo fondamentale nel consentire la comunicazione wireless in diverse applicazioni, dalla radiodiffusione alle moderne reti IoT e 5G. La loro versatilità e facilità di implementazione le hanno rese un punto di svolta nell'evoluzione della tecnologia delle comunicazioni.

Questo articolo approfondisce i principi fondamentali delle antenne a dipolo. Ne esamineremo le caratteristiche principali, i diversi tipi e i modelli di radiazione. Le configurazioni avanzate, come le antenne ad array e i progetti a doppia polarizzazione, saranno discusse per evidenziare la loro adattabilità nei sistemi moderni. Inoltre, approfondiremo le applicazioni, i vantaggi e i limiti delle antenne a dipolo e le confronteremo con le antenne a monopolo. Infine, esploreremo il loro ruolo nella tecnologia moderna, tra cui IoT, 5G e comunicazioni spaziali. Alla fine, avrete una chiara comprensione del motivo per cui le antenne a dipolo rimangono indispensabili nei sistemi di comunicazione.

Che cos'è un'antenna a dipolo e come funziona?

Il tipo di antenna più semplice ma ampiamente utilizzato nelle radio e nelle telecomunicazioni è l'antenna a dipolo, costituita da due elementi conduttori o aste che inviano e ricevono onde elettromagnetiche. In genere, le due parti conduttrici hanno una lunghezza uguale di metallo. È un componente essenziale dei sistemi di comunicazione wireless grazie al suo design semplice, che le consente di inviare e ricevere efficacemente segnali in un'ampia gamma di frequenze.

Quando una corrente alternata (CA) viene applicata alla linea di alimentazione, si crea un campo elettrico intorno all'antenna. Il campo elettrico cambia direzione insieme alla corrente alternata, producendo onde elettromagnetiche che si irradiano dall'antenna.

La lunghezza dell'antenna a dipolo è importante per il suo funzionamento. Deve essere pari a una certa percentuale della lunghezza d'onda del segnale radio che si intende inviare o ricevere. Il termine "antenna a dipolo a mezz'onda" si riferisce al fatto che questa lunghezza è solitamente la metà della lunghezza d'onda. L'antenna trasforma efficacemente l'energia elettrica in onde radio quando la lunghezza e la lunghezza d'onda corrispondono.

Le antenne a dipolo trasmettono e ricevono segnali in modo uguale in due direzioni opposte perpendicolari all'antenna, il che è noto come schema di radiazione bidirezionale. Ciò è dovuto al fatto che il campo elettrico della corrente alternata è più debole alle estremità dell'antenna e più alto al centro. Di conseguenza, la maggior parte dell'energia emessa dall'antenna è diretta perpendicolarmente alla sua lunghezza.

Nei conduttori di un'antenna a dipolo si crea una corrente alternata quando le onde radio la colpiscono. Un ricevitore o un'altra apparecchiatura elettronica possono essere alimentati da questa corrente una volta trasmessa alla linea di alimentazione. Trasformando le onde radio in energia elettrica, l'antenna a dipolo funge da antenna ricevente.

Pertanto, quando trasmette, un'antenna a dipolo trasforma l'energia elettrica in onde radio e, quando riceve, ritrasforma le onde radio in energia elettrica. Per una trasmissione e una ricezione efficace del segnale, la lunghezza e il design dell'antenna sono importanti.

Caratteristiche principali di un'antenna a dipolo

1. Design semplice

La struttura di un'antenna a dipolo, che consiste in due parti conduttrici di uguale lunghezza accoppiate a una linea di alimentazione, la rende semplice. Il suo design semplice facilita l'installazione e la produzione. Le antenne a dipolo possono funzionare nelle bande HF (alta frequenza), VHF (altissima frequenza) e UHF (altissima frequenza) dello spettro delle radiofrequenze.

2. Risonanza a metà lunghezza d'onda

Gli elementi di un'antenna a dipolo hanno tipicamente la metà della lunghezza d'onda della frequenza operativa. La massima efficienza di radiazione è resa possibile da questa risonanza. Poiché la lunghezza del dipolo è la metà dell'onda e la prima lunghezza di risonanza, il suo raggio non ha alcun effetto sull'impedenza di ingresso. Alla sua frequenza di risonanza, che avviene alla sua lunghezza di risonanza, un'antenna funziona in modo efficiente.

3. Modello di radiazione omnidirezionale

Questa radiazione omnidirezionale è perfetta per collegare dispositivi sullo stesso piano e su lati opposti, grazie al loro schema di emissione a forma di ciambella. Queste antenne sono spesso utilizzate in modo improprio nelle applicazioni mobili e negli edifici. Nelle applicazioni mobili, le antenne a dipolo omnidirezionali non hanno il pattern adeguato necessario per collegarsi a una torre a un'altezza significativamente maggiore. Le antenne dipolo omnidirezionali in alcune applicazioni sono particolarmente dannose nelle distribuzioni punto-multipunto, dove un utente può trovarsi in una zona morta pur trovandosi immediatamente sotto l'antenna trasmittente.

4. Polarizzazione lineare

La polarizzazione di un'antenna a dipolo è lineare per natura. L'orientamento della polarizzazione dipende dal modo in cui l'antenna è montata. L'energia viene trasmessa lungo una direzione perpendicolare all'asta del dipolo quando un'antenna a dipolo irradia a tutto campo.

5. Guadagno

Il guadagno dell'antenna è un parametro specifico utilizzato per misurare la quantità di direttività del diagramma di radiazione dell'antenna. In particolare, un'antenna ad alto guadagno emette in una determinata direzione. Il guadagno dell'antenna è un fenomeno passivo in cui l'elettricità viene semplicemente riallocata per fornire più potenza irradiata in una particolare direzione, anziché essere aggiunta attraverso l'antenna. Il guadagno dell'antenna può essere espresso come dBi e dBd.

In relazione all'antenna a dipolo di riferimento, il guadagno dell'antenna a dipolo può essere calcolato in dBd. Il guadagno dell'antenna a dipolo è 2,15 dBi come riferimento. Usando la formula dBi = dBd + 2,15, è abbastanza facile cambiare tra dBi e dBd aggiungendo o sottraendo 2,15.

Tipi di antenne a dipolo

1. Antenna a dipolo a mezz'onda

Le antenne a dipolo a mezz'onda sono un tipo specifico di antenna a dipolo in cui la lunghezza del dipolo è pari alla metà della lunghezza d'onda alla frequenza operativa. Questa antenna viene solitamente chiamata anche antenna Hertz. Rispetto ad altre antenne, questa ha una struttura di risonanza più semplice, che la rende adatta sia alla trasmissione che alla ricezione in una varietà di applicazioni. Questa antenna opera nella gamma di frequenze da 3 kHz a 300 GHz.

Le antenne a dipolo a mezz'onda offrono i seguenti vantaggi: sono leggere, economiche e hanno un'impedenza di ingresso paragonabile a quella della linea di trasmissione. Gli svantaggi di un'antenna a mezz'onda sono il suo diagramma di radiazione omnidirezionale e la sua indipendenza, che le consente di fungere da componente di base per altri tipi di antenne che operano a frequenze molto elevate. I ricevitori televisivi e radiofonici sono i principali dispositivi che utilizzano queste antenne.

2. Antenna a dipolo ripiegata

Un'antenna di tipo ripiegato è un gruppo di antenne a due dipoli che vengono semplicemente unite una alla volta per formare un sottile anello di filo. Come suggerisce il nome, l'antenna a dipolo è ripiegata e consiste in due dipoli a mezz'onda, uno dei quali è diviso al centro e l'altro è continuo. Alle due estremità, questi sono piegati e uniti in parallelo.

Il diagramma di radiazione di un'antenna a dipolo ripiegato è paragonabile a quello di un dipolo regolare, con l'eccezione di una maggiore impedenza di ingresso e di una direttività bidirezionale. L'ampia larghezza di banda e l'elevato valore dell'impedenza di alimentazione di questa antenna sono le caratteristiche principali del suo utilizzo. Di conseguenza, queste antenne sono utilizzate in modo indipendente, come parte fondamentale di altre antenne e per fornire un'elevata larghezza di banda. Esistono tipi di antenne a due e tre fili.

3. Antenna a dipolo corta

Il tipo più elementare di antenna è il dipolo corto. Si tratta solo di un filo metallico alimentato al centro e aperto a circuito. Nell'ingegneria delle antenne, i termini "piccolo" o "corto" significano sempre "rispetto a una lunghezza d'onda". Pertanto, conta solo la dimensione del filo in relazione alla lunghezza d'onda della frequenza operativa, non la dimensione esatta dell'antenna a dipolo. Se la lunghezza di un dipolo è inferiore a un decimo di lunghezza d'onda, è generalmente considerata corta.

4. Antenna a dipolo log-periodica

Un'antenna direzionale a più elementi con un'ampia gamma di frequenze di funzionamento è chiamata antenna log-periodica. È perfetta per le applicazioni che richiedono soluzioni di comunicazione affidabili e agili in frequenza grazie alla sua particolare struttura geometrica, che consente prestazioni e guadagni costanti su tutta la larghezza di banda.

5. Antenna a dipolo incrociato

Un'antenna a dipolo incrociato, nota anche come antenna a tornello, è un tipo di antenna radio costituita da due dipoli identici alimentati in quadratura di fase e posizionati ad angolo retto l'uno rispetto all'altro. Le due correnti applicate ai dipoli sono sfasate di 90 gradi. L'idea che l'antenna assomigli a un tornello quando è posizionata orizzontalmente si riflette nel nome.

L'antenna può funzionare in due modi. In modalità normale, l'antenna emette onde radio polarizzate orizzontalmente e perpendicolari al suo asse. In modalità assiale, l'antenna emette radiazioni polarizzate circolarmente lungo il suo asse. Per le applicazioni MIMO e satellitari, queste antenne sono perfette.

Schema di radiazione delle antenne a dipolo

Il diagramma di radiazione di un'antenna a dipolo è toroidale, simile a una ciambella. Ha una radiazione massima perpendicolare all'asse dell'antenna e una radiazione minima lungo l'asse. Questo schema è efficace per le comunicazioni orizzontali e rende le antenne a dipolo molto versatili.

Le 2 principali configurazioni avanzate di dipolo sono:

1. Antenne a schiera con dipoli

Gli array di antenne a dipolo possono essere utilizzati per aumentare la copertura, il guadagno e la direttività. I sistemi di comunicazione su larga scala e i radar sono due esempi di applicazioni che utilizzano questi array. Nella costruzione di vari tipi di antenne a schiera si utilizzano più dipoli, spesso a mezz'onda. L'utilizzo di più dipoli ha lo scopo di aumentare il guadagno direzionale dell'antenna rispetto a quello di un singolo dipolo; la radiazione dei singoli dipoli interferisce con l'aumento della potenza emessa in direzioni specifiche. La linea di alimentazione viene suddivisa utilizzando una rete elettrica per fornire l'alimentazione agli elementi in array con numerosi elementi guidati da dipoli. I ritardi di fase relativi risultanti dalla trasmissione tra il punto comune e ciascun elemento sono considerati con attenzione.

Per migliorare il guadagno dell'antenna nelle direzioni orizzontali, è possibile impilare le antenne in direzione verticale in una schiera larga in cui le antenne sono alimentate in fase l'una con l'altra. In questo modo si preserva la direzionalità delle antenne a dipolo orizzontali e si ottiene il null nella direzione dei loro elementi. La direzione di nullità, tuttavia, diventa verticale in un cosiddetto array di antenne collineari se ogni dipolo è orientato verticalmente. Ciò consente all'array di acquisire il diagramma di radiazione omnidirezionale solitamente richiesto (sul piano orizzontale). Nelle bande di frequenza VHF e UHF, dove le lunghezze d'onda degli elementi sono ridotte per poterne impilare diversi su una torre, si utilizzano array collineari verticali.

2. Progetti di dipoli a doppia polarizzazione (antenne MIMO)

I dipoli a doppia polarizzazione possono gestire più segnali contemporaneamente utilizzando due antenne polarizzate ortogonalmente. Le moderne reti wireless traggono grande vantaggio da questo design, che è essenziale per i sistemi MIMO e aumenta la velocità e l'affidabilità dei dati. Un'antenna in grado di ricevere e trasmettere simultaneamente segnali a radiofrequenza con due diverse polarizzazioni, tipicamente orizzontale o verticale, è nota come "dipolo". antenna MIMO a doppia polarità.

Nella direzione di propagazione, i segnali RF sono emessi da antenne polarizzate linearmente in un unico piano. Oltre a richiedere l'allineamento tra trasmettitore e ricevitore, le antenne a polarizzazione lineare possono essere orientate sia verticalmente che orizzontalmente. Le antenne con polarizzazione circolare emettono la radiofrequenza in modo cilindrico.

Le antenne a doppia polarità emettono contemporaneamente modelli di radiofrequenza orizzontali e verticali. L'applicazione di antenne a doppia polarità in ambienti ad alta densità è il suo principale vantaggio rispetto alle antenne a polarità orizzontale e verticale. Le aree ad alta densità di popolazione sono soggette a un'estrema congestione delle radiofrequenze, che comporta alti livelli di interferenza e rumore. A differenza delle antenne tradizionali a polarizzazione lineare, che irradiano in un solo schema lineare, le antenne a doppia polarità superano la congestione emettendo sia in orizzontale che in verticale.

Esistono tre tecniche per polarizzare le antenne RF: la più frequente è la polarizzazione verticale, seguita dalla polarizzazione orizzontale e la meno diffusa è la polarizzazione circolare. L'orientamento della forma d'onda RF è determinato dal piano del campo elettrico.

A cosa serve un'antenna a dipolo?

Le antenne a dipolo sono importanti nei sistemi di comunicazione grazie alla loro adattabilità. Ecco alcune delle applicazioni più utilizzate:

1. Trasmissione radiofonica

I dispositivi di comunicazione radio, come i walkie-talkie e le radio ricetrasmittenti, utilizzano spesso antenne a dipolo. Sono utilizzate per la trasmissione e la ricezione di segnali a corto raggio.

2. Trasmissione televisiva

Garantiscono un'efficace trasmissione e ricezione del segnale e sono spesso presenti nelle antenne televisive VHF e UHF. I segnali televisivi vengono inviati dalle stazioni di trasmissione alle abitazioni tramite antenne a dipolo. Possono essere utilizzate anche per ricevere segnali televisivi in case che non dispongono di accesso a Internet o di televisione satellitare.

3. Comunicazione senza fili

Le antenne a dipolo forniscono una connettività affidabile e sono essenziali per i dispositivi Bluetooth, i sistemi Wi-Fi e altre soluzioni di rete wireless. I router e gli access point Wi-Fi sono esempi di dispositivi di rete wireless che utilizzano antenne a dipolo. L'accesso a Internet senza fili è reso possibile dal loro aiuto nella trasmissione e ricezione del segnale tra i dispositivi.

4. Reti cellulari

Le stazioni base utilizzano antenne a dipolo per fornire comunicazioni cellulari, consentendo una connettività affidabile e un rapido trasferimento di dati. I segnali cellulari vengono trasmessi e ricevuti dai telefoni cellulari mediante antenne a dipolo. Esse supportano una comunicazione affidabile tra le torri cellulari e i dispositivi mobili.

5. Radioamatori (Radio Amateur)

Le antenne a dipolo sono utilizzate per le comunicazioni in VHF e UHF per la loro facilità d'uso ed efficienza. I radioamatori, comunemente chiamati radioamatori, utilizzano spesso antenne a dipolo. Nelle comunicazioni radioamatoriali, vengono utilizzate sia per la trasmissione che per la ricezione del segnale.

6. Comunicazione aerea

Le antenne a dipolo sono utilizzate dagli aerei per i sistemi di comunicazione VHF, che garantiscono l'efficienza e la sicurezza dell'aviazione. I sistemi radar che rilevano e tracciano oggetti come navi, aerei e modelli meteorologici utilizzano antenne a dipolo. Assistendo la trasmissione e la ricezione dei segnali radar, consentono di misurare la distanza, la velocità e la direzione di un oggetto.

Vantaggi delle antenne a dipolo

1. Semplicità

Il progetto delle antenne a dipolo è semplice: due pezzi conduttori di uguale lunghezza sono accoppiati a una linea di alimentazione. Grazie alla loro semplicità, possono essere costruite con una semplice conoscenza della tecnologia e degli strumenti. Inoltre, poiché la risoluzione dei problemi e le riparazioni richiedono solo piccole modifiche o sostituzioni, il loro metodo semplice le rende facili da mantenere.

2. Costo-efficacia

Le antenne a dipolo sono realizzate con materiali comunemente accessibili e a prezzi ragionevoli, come il rame e l'alluminio. Questo, insieme al design semplice che elimina la necessità di componenti complessi, garantisce che le antenne a dipolo siano tra le antenne meno costose. Grazie alla loro economicità, sono perfette per le installazioni su larga scala, come quelle per l'elettronica di consumo di massa o per le trasmissioni radio.

3. Versatilità

Le antenne a dipolo possono essere facilmente modificate per diverse gamme di frequenza cambiando la lunghezza degli elementi conduttivi. Grazie alla loro adattabilità, possono essere utilizzate per una varietà di scopi, tra cui reti cellulari, Wi-Fi ad alta frequenza e trasmissioni radio AM a bassa frequenza. La loro applicabilità nei sistemi di comunicazione tradizionali e moderni è garantita dalla capacità di operare efficacemente su una gamma di frequenze.

4. Prestazioni affidabili

Le antenne a dipolo sono state utilizzate efficacemente per molti anni nelle reti wireless, nelle trasmissioni radiotelevisive e nelle comunicazioni aeree. La loro efficacia nell'invio e nella ricezione di messaggi e la regolarità dei modelli di radiazione sono le ragioni principali della loro affidabilità. Sono considerate un'opzione affidabile sia nei sistemi critici che in quelli non critici.

5. Radiazione omnidirezionale

Le antenne a dipolo irradiano l'energia in modo uniforme sul piano orizzontale, ossia forniscono una potenza di segnale costante in tutte le direzioni perpendicolari all'asse dell'antenna. Sono perfette per applicazioni come il Wi-Fi e la radiodiffusione, in cui la copertura in più direzioni è importante, grazie al loro diagramma di radiazione omnidirezionale. La loro capacità di offrire una copertura orizzontale costante migliora la connessione e garantisce un funzionamento affidabile in diversi ambienti.

Limitazioni delle antenne a dipolo

1. Dimensioni dell'antenna

La lunghezza d'onda del segnale che un'antenna a dipolo è destinata a utilizzare ha una correlazione diretta con la sua lunghezza. La lunghezza complessiva dell'antenna per un dipolo a mezz'onda è pari alla metà della lunghezza d'onda del segnale. Per le trasmissioni a bassa frequenza sono necessari elementi di dipolo più lunghi, perché la lunghezza d'onda cresce al diminuire della frequenza. Ad esempio, un dipolo a mezz'onda utilizzato nella radio FM e progettato a una frequenza di 100 MHz sarebbe lungo circa 1,5 metri. Per applicazioni come le trasmissioni radiofoniche AM, che devono operare a frequenze estremamente basse, queste dimensioni possono diventare impraticabili.

2. Limitazioni direzionali

Le antenne a dipolo irradiano l'energia in modo uniforme su tutta l'antenna e di solito presentano un diagramma di radiazione omnidirezionale sul piano orizzontale. Quando è necessario un fascio focalizzato o diretto, come nei sistemi di comunicazione punto-punto, questo diventa un limite, anche se è vantaggioso per le applicazioni che richiedono un'ampia copertura. Per ottenere una radiazione direzionale sono necessarie altre parti, come riflettori o direttori (usati nelle antenne Yagi-Uda) o la combinazione di dipoli in array, il che complica il progetto.

3. Corrispondenza di impedenza

Per ottenere risultati ottimali, l'impedenza dell'antenna deve corrispondere a quella della linea di trasmissione e dei dispositivi collegati; nella maggior parte dei sistemi di comunicazione, questa è di 50 o 75 ohm. Nello spazio libero, l'impedenza di ingresso di un'antenna a dipolo standard è di circa 73 ohm. Anche se questi valori sono abbastanza vicini a quelli standard, le differenze dovute all'ambiente o alla configurazione dell'installazione possono causare disadattamenti di impedenza, con conseguenti perdite di potenza e riflessioni del segnale. L'installazione diventa più complessa quando è necessario apportare modifiche adeguate, come l'uso di balun o circuiti di adattamento, per garantire un efficace trasferimento di potenza.

Antenne a dipolo vs. antenne a monopolo

Ci sono vari modi in cui un'antenna a dipolo si differenzia da un'antenna a monopolo. Analizziamo in dettaglio le differenze primarie tra questi due tipi di antenna.

1. L'antenna a dipolo presenta una radiazione nella parte inferiore e campi su entrambi i lati. Al contrario, l'antenna monopolare ha una radiazione nulla sotto il piano di massa e un solo campo nella metà superiore dell'area.

2. Per creare un piano di massa sintetico, le antenne a dipolo richiedono in genere un radiatore aggiuntivo. Un'antenna monopolare, invece, richiede un piano di massa reale.

3. Gli elementi radiatori dell'antenna a dipolo sono sfasati di 180 gradi. L'antenna a monopolo, invece, ha il conduttore esterno di un cavo coassiale e il piano di riferimento del collegamento della linea di trasmissione. Quando si utilizza un'antenna monopolare, questi schemi costituiscono il piano di massa.

4. Il diagramma di radiazione di un'antenna a dipolo è verticalmente simmetrico, ma non quello di un'antenna a monopolo. Mentre il diagramma di radiazione dell'antenna monopolare dipende dall'orientamento del piano di massa, l'antenna a dipolo è un tipo di antenna molto frequente.

5. Un'antenna monopolare ha un numero limitato di tipi e varietà sul mercato, mentre un dipolo è un'antenna comune con molte varietà.

Antenne a dipolo con tecnologia moderna

Le antenne a dipolo sono diventate fondamentali per le reti 5G e per i dispositivi dell'Internet of Things, perché offrono un servizio affidabile e una connettività veloce in strutture di dimensioni ridotte. Soddisfano i numerosi requisiti e le elevate richieste di dati delle tecnologie moderne. Le antenne a dipolo sono ampiamente utilizzate in molte applicazioni di tecnologia wireless per la comunicazione senza fili. Le antenne a dipolo possono supportare comunicazioni multi-frequenza come 5G, LTE, Wi-Fi, ecc. perché spesso hanno un'ampia larghezza di banda.

Nelle comunicazioni satellitari, le antenne a dipolo incrociato sono utilizzate per la polarizzazione circolare, che consente una trasmissione affidabile del segnale nello spazio. Le antenne a filo semplici, chiamate dipoli, si trovano spesso nei sistemi di comunicazione e di trasmissione satellitare.

Conclusione

La semplicità, l'economicità e le prestazioni di un'antenna a dipolo la rendono una scelta eccellente. È semplice da costruire e non richiede complessi circuiti di sintonizzazione o di adattamento. Può funzionare bene su diverse frequenze e ha un'ampia larghezza di banda. Un'antenna a dipolo offre inoltre un'alimentazione bilanciata, che riduce le interferenze e il rumore di modo comune. Tutto considerato, un'antenna a dipolo è la scelta ideale per molteplici applicazioni.

In conclusione, le comunicazioni wireless richiedono antenne a dipolo. Esse offrono un buon equilibrio tra prestazioni e semplicità. La comprensione delle antenne a dipolo vi avvantaggerà nel settore wireless, indipendentemente dal vostro background.